การทดลองที่ 5 Colligative property Freezing point depression

วัตถุประสงค์ เพื่อศึกษาสมบัติคอลลิเกทิฟบางประเภทของสาร เพื่อหาจุดเยือกแข็งของสาร เพื่อหามวลโมเลกุลของสารจากจุดเยือกแข็งของสารละลาย เพื่อศึกษาการรวมตัวและการแตกตัวเป็นไอออนของสารจากจุดเยือกแข็งของสารละลาย

ทฤษฎี สมบัติ คอลลิเกทิฟ หมายถึงสมบัติกายภาพของสารละลายที่ขึ้นอยู่กับจำนวนอนุภาคของตัวละลาย (solute)หรือความเข้มข้นของสารละลาย(solution) แต่ไม่ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวละลาย

จุดเยือกแข็ง คือ อุณหภูมิที่ของเหลวเริ่มเปลี่ยนเป็นของแข็ง ณ อุณหภูมิจุดเยือกแข็งจะเกิดภาวะสมดุลระหว่างของเหลวกับของแข็ง ถ้าดำเนินการทดลองโดยลดอุณหภูมิของเหลวบริสุทธิ์จนถึงจุดหนึ่ง ของเหลวจะเริ่มกลายเป็นของแข็ง อุณหภูมิที่จุดนี้เรียกว่าจุดเยือกแข็ง และของเหลวบริสุทธิ์จะมีจุดเยือกแข็งคงที่

ในทางปฏิบัติ ถ้าลดอุณหภูมิเร็วเกินไปหรือไม่ คนอย่างสม่ำเสมอ จะพบว่าเมื่ออุณหภูมิลด ลงจนถึงจุดเยือกแข็งแล้ว ของเหลวจะยังไม่ กลายเป็นของแข็ง และอุณหภูมิจะไม่คงที่ โดยลดต่ำลงอีกระยะหนึ่ง หลังจากนั้นจึงจะ ค่อยๆ สูงขึ้นจนถึงจุดเยือกแข็งและคงที่ ณ จุดเยือกแข็งนั้น เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า การเย็นยวดยิ่ง ( supercooling )

การหาจุดเยือกแข็งของสาร 1.ทำให้ของเหลวเย็นลง ดำเนินการวัดอุณหภูมิที่เวลาต่าง ๆ เขียนกราฟระหว่างอุณหภูมิกับเวลา จะได้กราฟที่เรียกว่า กราฟ การเย็นตัว (cooling curve) ดังรูป Tf จุดเยือกแข็งที่ลดลง มีค่าเท่ากับ จุดเยือกแข็งของตัวทำละลายบริสุทธิ์(Tof) – จุดเยือก แข็งของสารละลาย (Tf) อุณหภูมิ (oC) ตัวทำละลายบริสุทธิ์ เวลา ตัวทำละลายเริ่มแข็งตัว Tfo เกิดการเย็นตัวยวดยิ่ง Tf สารละลาย 3. หาจุดเยือกแข็งของของเหลวจากกราฟ

จุดเยือกแข็งของสารละลายต่ำกว่าของสารบริสุทธิ์  Tf = Kf m Tf จุดเยือกแข็งที่ลดลง มีค่าเท่ากับ จุดเยือกแข็งของตัวทำละลายบริสุทธิ์(Tof) – จุดเยือก แข็งของสารละลาย (Tf) Kf ค่าคงที่ของการลดลงของจุดเยือกแข็ง (oC/m) m ความเข้มข้นของสารละลาย (molal หรือ mol/kg)

w1 = น้ำหนักของตัวทำละลาย (g) w2 = น้ำหนักของตัวละลาย (g) DTf = Kf …………(2) w1 = น้ำหนักของตัวทำละลาย (g) w2 = น้ำหนักของตัวละลาย (g) M2 = มวลโมเลกุลของตัวละลาย จากสมการ (2) หามวลโมเลกุลของตัวละลายจากจุดเยือกแข็งที่ลดลงได้ M2 = Kf …………..(3) Kf = ค่าคงที่ของการลดลงของจุดเยือกแข็ง (molal freezing point depression constant,)

ในกรณีที่ตัวละลายแตกตัวเป็นไอออน หรือรวมตัวกันเป็นโมเลกุลที่ใหญ่ขึ้น สามารถคำนวณขนาดของการแตกตัวหรือขนาดของการรวมตัวได้ Tf = i Kf m ………(4) i = van’t Hoff factor

วิธีทดลอง จัดตั้งอุปกรณ์ดังภาพ วิธีทดลอง จัดตั้งอุปกรณ์ดังภาพ เทอร์โมมิเตอร์ น้ำแข็งผสมเกลือ ของเหลว magnetic bar

ดำเนินการหาจุดเยือกแข็งของสารต่อไปนี้ ก. น้ำกลั่น ข. สารละลายกลูโคส ค. สารละลายโซเดียมคลอไรด์ ง. สารละลายแมกนีเซียมซัลเฟต จ. สารละลายแมกนีเซียมคลอไรด์

การคำนวณ 1. คำนวณมวลโมเลกุลของกลูโคส M2 = Kf …………..(3) 1. คำนวณมวลโมเลกุลของกลูโคส M2 = Kf …………..(3) w2 = น้ำหนักของกลูโคส = 7.20 g w1 = น้ำหนักของน้ำ = 100 g Kf = 1.86 o C /m Tf หาจากการทดลอง

จากสมการ Tf = i Kf m i = Tf/Kf m หา Van’t Hoff factor ของสารละลาย 1. C6H12O6 (aq) 0.40 m 2. NaCl (aq) 0.20 m 3. MgSO4 (aq) 0.20 m 4. MgCl2 (aq) 0.20 m จากสมการ Tf = i Kf m i = Tf/Kf m